宋 昭，羅 娜，趙志遠，高登平，王秀敏，解 真

(紅山基準地震臺，河北 邢臺 054001)

紅山臺ELF電磁場功率譜密度的時間分布特征

宋 昭，羅 娜，趙志遠，高登平，王秀敏，解 真

(紅山基準地震臺，河北 邢臺 054001)

利用紅山地震臺ELF極低頻觀測數(shù)據(jù)處理得到不同觀測分量、不同頻率功率譜數(shù)據(jù)的時間序列，并通過對數(shù)據(jù)進行作圖分析，得出紅山臺電磁場功率譜密度的時間分布具有如下特征： ①電磁場功率譜密度均具有夏強冬弱的季節(jié)分布，呈正弦波形態(tài),夏季變化幅度是冬季的1～10倍不等；②不同頻率上，各測項功率譜密度無多年趨勢性變化特征，年際變化幅度小于年內(nèi)1～3個數(shù)量級。

ELF；電磁場；功率譜密度；時間分布；紅山臺

0 引言

地震的孕育和發(fā)生是一個極其復(fù)雜的地球物理過程。由于其發(fā)生在地球內(nèi)部,更增加了地震預(yù)報研究的難度[1]。過去幾十年，通過地面和空間觀測，記錄到地震前大量的電磁異?，F(xiàn)象，證明地震電磁效應(yīng)是確實存在的。巖石實驗和理論模型研究也為地震電磁現(xiàn)象的存在提供了一定的試驗和解釋依據(jù)。電磁場觀測不同于僅測量電場或磁場的傳統(tǒng)電法或磁法，它同時處理電場和磁場，并利用電磁感應(yīng)原理研究地球電磁場和地質(zhì)問題[2]。

“十五”期間，全國范圍內(nèi)共安裝了12套ELF大地電磁測深儀，觀測電磁場時間序列、電磁場頻譜、視電阻率、阻抗相位和電阻率結(jié)構(gòu)隨時間的變化等。ELF大地電磁測深觀測產(chǎn)出了大量數(shù)據(jù)，在地震預(yù)測研究和相關(guān)領(lǐng)域得到了廣泛運用[3]。隨著ELF儀器的廣泛布設(shè)，統(tǒng)計并分析全國范圍內(nèi)電磁場功率譜密度背景值的時空分布有著重要意義。它不僅能夠使高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)得到充分利用，還將對儀器的運行、維護提供有益幫助，為前兆事業(yè)的發(fā)展起到一定的推動作用。

紅山臺ELF儀器自2009年7月份正式觀測以來，運行情況較為穩(wěn)定，產(chǎn)出了高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)。本文選取了該儀器2011—2015年期間的數(shù)據(jù)進行分析處理，試圖找到紅山臺ELF電磁場功率譜密度的時間分布背景動態(tài)。在提高基層臺站對本臺大量觀測數(shù)據(jù)的利用、更好地認識觀測數(shù)據(jù)的同時，為獲取更大范圍內(nèi)的電磁場背景動態(tài)分布乃至識別電磁前兆觀測異常奠定基礎(chǔ)。

1 觀測臺站和儀器簡介

1.1 觀測臺站概況

紅山基準臺(以下簡稱紅山臺)臺基穩(wěn)固、觀測環(huán)境優(yōu)良，遠離城鎮(zhèn)和村莊等干擾源，加上臺站工作人員對觀測系統(tǒng)維護到位，使得紅山臺ELF電磁場記錄數(shù)據(jù)較為完整且數(shù)據(jù)質(zhì)量高，利于分析利用。

1.2 觀測儀器指標

2007年5月由中國地震局地質(zhì)研究所在紅山臺敷設(shè)了ELF電磁觀測，使用俄羅斯生產(chǎn)的ACF-4M型ELF電磁觀測儀器，觀測4道水平天然場的電磁信號，即2道相互垂直電場(E1、E2)和2道相互垂直磁場(H1、H2)，觀測頻率范圍0.1～800 Hz。電場傳感器(Pb-PbCL2 不極化電極)和磁場傳感器(磁感應(yīng)線圈)采用與正南北、正東西呈45°交角的方式埋入地下，以消除交流供電干擾。傳感器連接線采用埋地(50 cm 深度)敷設(shè)，電極線和磁電纜線埋設(shè)相距2 m以上，不平行。儀器布設(shè)情況如圖1，儀器參數(shù)詳見表1。

圖1 紅山臺ELF布設(shè)圖

紅山臺ELF的觀測分為3個頻率段：第1頻段(D1)，頻率范圍是0.1～40 Hz，采樣率為160 Hz； 第2頻段(D2)，觀測頻率1～400 Hz，采樣率1 600 Hz；第3頻段(D3)，觀測頻率1～800 Hz，采樣率3 200 Hz。觀測儀器每天進行2個時段的觀測：第1觀測時段為0：00—6：00，第2時段為6：30—12：30。每1時段的觀測頻段順序均為D3、D2、D1。其中，D3頻段觀測20分鐘，D2頻段觀測1小時，D1頻段觀測4小時。所有通道的前置放大器增益均為1。

紅山臺ELF觀測儀記錄的是天然電磁場。天然電磁場在極低頻頻段的場源主要為：雷電產(chǎn)生的電磁場、高空電離層擾動產(chǎn)生的電磁場、地球上各種人文干擾以及來自震前的電磁輻射等[4]。

表1 紅山臺ELF儀器布設(shè)參數(shù)

2 數(shù)據(jù)計算及處理

2.1 從原始時域到頻率域

DFT即離散傅里葉變換算法，可以將信號進行時域和頻率域的相互轉(zhuǎn)換。對于有限長離散信號x(n),n=0,1,…,N-1,其DFT定義為：

(1)

FFT是DFT變換的快速算法，它利用了WN的對稱性和周期性，將N點DFT分解為2個N/2點的DFT，再分解為4個N/4點的DFT等一直分解下去，則2M點的DFT均可分解為2點的DFT以簡化計算。

ELF的原始觀測資料是包含多種頻譜的時間序列數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)處理時將每天記錄到的原始時間序列數(shù)據(jù)通過FFT變換，分別得到4個觀測項的頻率序列。為更好地從頻率域中描述電磁場信號，一般通過電磁場的能量來描述電磁場的強度，即功率譜的方法。

2.2 抽取固定頻率組成時間序列

對所得功率譜序列按D1頻段0.5 Hz、1 Hz、4 Hz、8 Hz、18 Hz、22 Hz、32 Hz、39 Hz 8個頻率，D2頻段64 Hz、82 Hz、128 Hz、178 Hz、225 Hz、288 Hz、330 Hz、380 Hz 8個頻率，D3頻段420 Hz、470 Hz、520 Hz、580 Hz、625 Hz、680 Hz、725 Hz、780 Hz 8個頻率，共24個頻率點進行提取，得到以上頻率電、磁場每個觀測分量的自功率譜數(shù)據(jù)的時間序列數(shù)據(jù)。

3 數(shù)據(jù)選取和作圖分析

使用紅山臺ELF儀器觀測時段中地磁場相對平靜的第1觀測時段(00：00—06：00)原始時間序列，運用FFT方法對所選數(shù)據(jù)進行計算最終得到了2011—2015年電磁場4個觀測項、24個固定頻率點的自功率譜密度的時間分布。由于本文只分析數(shù)據(jù)變化的背景動態(tài)和一般趨勢，功率譜數(shù)據(jù)在分析繪圖前去掉了因觀測系統(tǒng)故障或人工測試等原因產(chǎn)生的錯誤數(shù)據(jù)和個別突跳點，以減小其對曲線形態(tài)的壓制和對計算結(jié)果的影響。

3.1.1 同頻率功率譜密度分布

將紅山臺ELF儀器2015年330 Hz的電磁場H1、H2、E1、E2四個測項自功率譜密度繪圖(圖2)，并計算其各分量在冬、夏不同季節(jié)的平均值、變化幅度和變異系數(shù)(表2)。通過圖2可以直觀地看出，頻率為330 Hz 4個測項的電磁場功率譜密度的時間分布變化趨勢一致，均具有季節(jié)特征：即曲線夏季升高，冬季回落(文中季節(jié)按照冬季(11-12月,1-2月)，春、秋季(3-4月,9-10月)和夏季(5-8月)的方法劃分)，且以年為周期由夏季到冬季表現(xiàn)出逐漸減小的變化趨勢，全年呈正弦波形態(tài)。觀察表2發(fā)現(xiàn)，夏季各測項數(shù)據(jù)的觀測值、變化幅度和離散度均較大，而冬季較小。夏季變化幅度是冬季變化幅度的1～10倍不等。紅山臺其他年份和其他頻率數(shù)據(jù)均具有類似特征。

3.1.2 不同頻率功率譜密度分布

通過各分量之間功率譜密度分布比較，發(fā)現(xiàn)磁場H2分量表現(xiàn)出了更加明顯的季節(jié)特征。于是，從紅山臺2015年ELF電磁場數(shù)據(jù)中選取H2分量D1低頻段的1 Hz、8 Hz，D2中間頻段的128 Hz、288 Hz以及D3高頻段的420 Hz、680 Hz，共6個頻率點的功率譜時間序列進行繪圖(圖3)。同樣，計算所選6個頻率的季節(jié)變化參數(shù)(表3)。通過圖3可以發(fā)現(xiàn)，對于H2分量來說，所選各頻率功率譜數(shù)據(jù)的總體變化趨勢一致，均表現(xiàn)出季節(jié)分布。由表3可知， H2高頻數(shù)據(jù)的功率譜平均值比低頻點小1～2個數(shù)量級，低頻點夏季變幅是冬季變幅的1～2倍而高頻率則能夠達到7～10倍。由圖3更加能夠直觀地看出，高頻率數(shù)據(jù)曲線的弧度大且功率譜強度小。分析圖表可以得出結(jié)論：雖然隨著頻率的增高，磁場H2分量的功率譜強度在逐漸減弱，但高頻數(shù)據(jù)卻表現(xiàn)出了更明顯的季節(jié)變化特征。

圖2 2015年紅山臺ELF電磁場(330 Hz)各分量功率譜曲線

表2 2015年紅山臺ELF電磁場(330 Hz)4分量功率譜季節(jié)變化參數(shù)

出現(xiàn)季節(jié)變化現(xiàn)象的原因，考慮是夏季地磁場擾動較大，地磁場的擾動歸因于日地能量的耦合，它反映的是地磁場所包含的能量的變化[5]。這種現(xiàn)象可能是太陽紫外輻射產(chǎn)生的電離層傳播效應(yīng)，也可能是受夏季雷電天氣多發(fā)、太陽活動強烈、太陽風(fēng)和磁層及地磁脈動等相互作用影響的結(jié)果[6]。而電磁場密不可分，兩者之間的關(guān)系遵循麥克斯韋方程，形態(tài)應(yīng)具有一定相關(guān)性。這也同引文中地電場觀測資料日變幅的季節(jié)變化特征[7]相吻合。

K指數(shù)作為“磁情指數(shù)”，以3小時為1時段, 用0，1，…，9的數(shù)字分10級來表示地球變化磁場受太陽微粒輻射而形成的擾動變化的程度[8]。本文選取了紅山臺2015年全年的K指數(shù)，將每天0—6時的2個K指數(shù)數(shù)據(jù)累加，得到與所選ELF第一觀測時段數(shù)據(jù)相對應(yīng)的K指數(shù)繪圖(圖4a)。由圖4可見，紅山臺2015年每天0—6時K指數(shù)和具有同功率譜密度相似的季節(jié)分布。而且，相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)ELF電磁場數(shù)據(jù)的變化滯后于地磁擾動，表明ELF電磁場功率譜密度的季節(jié)分布受到了磁層活動、地磁擾動的影響[8]。另外，紅山臺2015年地磁總場強度F日均值的一階差分曲線也呈現(xiàn)相似的季節(jié)分布(圖4b)，可見，紅山臺電磁場功率譜密度的季節(jié)變化特征與磁場擾動強弱程度的季節(jié)分布相關(guān)。

圖3 2015年紅山臺ELF觀測儀H2分量(1 Hz、8 Hz、128 Hz、288 Hz、420 Hz、680 Hz)功率譜曲線

表3 2015年紅山臺ELF電磁場H2分量功率譜季節(jié)變化參數(shù)

3.2 年際分布

分析紅山臺ELF電磁場功率譜密度的年際分布特征，即將時間單位以年計，計算年際變化。表4列出了H1分量所有24個頻點2011—2015年的年際和年內(nèi)變化幅度。由表4可見， 功率譜數(shù)據(jù)的年變幅比年際變化幅度大1～3個數(shù)量級。相較于年內(nèi)變化，功率譜數(shù)據(jù)的年際變化可忽略不計。紅山臺ELF功率譜其他分量觀測數(shù)據(jù)均有類似特征。

圖4 2015年紅山臺地磁K指數(shù)累加值與地磁總場F日均值一階差分曲線

表4 2011—2015年紅山臺ELF磁場H1分量24個頻點功率譜年際和年內(nèi)變化幅度對比

表4中H1分量功率譜年際、年內(nèi)變化趨勢整體隨頻率升高而減小，但在4～32 Hz頻率段似乎出現(xiàn)年內(nèi)變化幅度較小的異常值。考慮舒曼諧振波的第一階在7.8 Hz左右[9]，其前四階諧振波恰好分別在頻率為7.83 Hz、13.8 Hz、19.7 Hz、25.7 Hz附近，上述異?，F(xiàn)象可能與其相關(guān)。于是繪制紅山臺ELF數(shù)據(jù)(0～35 Hz)頻譜圖(圖5)。由圖5可見，紅山臺磁場功率譜數(shù)據(jù)能夠記錄到舒曼諧振的前4階諧振波，頻譜圖分別在頻率為7.83 Hz、13.8 Hz、19.7 Hz、25.7 Hz附近有功率譜增強的現(xiàn)象，且頻率越小，變化幅度越大。同時可以發(fā)現(xiàn)，電磁場4個分量在D1頻段的功率譜強度為H1、E1分量優(yōu)于H2、E2，但磁場H2相較H1分量對諧振波現(xiàn)象有更好的響應(yīng)。這可能源于觀測系統(tǒng)差異或地下結(jié)構(gòu)的不均勻分布，可將此作為今后進一步的研究方向。

圖5 紅山臺ELF電磁場數(shù)據(jù)(0～35 Hz)頻譜圖

上述分析表明：0～35 Hz頻率范圍內(nèi)，磁場H2能夠更好的響應(yīng)舒曼諧振波。因此，表5給出磁場H2分量位于D1頻率段，且接近諧振波的6個頻率點年際和年內(nèi)變化幅度結(jié)果。表5反應(yīng)出磁場H2分量位于舒曼諧振前4階諧振波附近的頻率點，其功率譜密度的年際分布變化幅度比年變幅小1個數(shù)量級，同樣沒有表現(xiàn)出多年變化趨勢。

表5 2011—2015年紅山臺ELF磁場H2分量6個頻點功率譜年際和年內(nèi)變化幅度對比

將磁場H2分量中1 Hz、8 Hz、22 Hz 3個頻率點2011—2015年功率譜密度的年變幅、年均值繪圖，將5年均值變化擬合直線，以突出多年變化長期趨勢，并標出擬合直線斜率以反映多年變幅(圖6)。圖6可直觀反映出各頻點數(shù)據(jù)年際分布均勻，多年變化幅度相比平均年變幅小1～2個量級。數(shù)據(jù)多年變化僅有微小的上升或下降浮動，無明顯的趨勢性變化。

圖6 2011—2015年紅山臺磁場H2分量(1 Hz、8 Hz、22 Hz)功率譜年變幅和多年趨勢擬合

4 結(jié)論

本文通過分析紅山臺ELF極低頻電磁場功率譜密度的時間分布，得出如下結(jié)論：

1)各頻段的電磁場功率譜密度均具有正弦波形態(tài)的季節(jié)變化特征，表現(xiàn)形式為夏強冬弱。夏季變化幅度是冬季變化幅度的1～10倍不等。這種變化特征與磁場擾動強弱的季節(jié)分布相關(guān)。

2)電磁場功率譜密度的年際分布均勻，其年變幅比年際變化幅度大1～3個數(shù)量級。相對于年內(nèi)的季節(jié)變化來說，年際變化幅度可忽略。電磁場數(shù)據(jù)不存在多年趨勢性變化。

3)紅山臺電磁場功率譜D1頻率段數(shù)據(jù)能夠記錄到舒曼諧振的前4階諧振波現(xiàn)象。其中，磁場H2分量表現(xiàn)出更好的季節(jié)分布特征和對舒曼諧振波更好的響應(yīng)。

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Time-distribution Characteristic of Power-spectrum Density of ELF Electromagnetic Observations in Hongshan Station

SONG Zhao, LUO Na, ZHAO Zhi-yuan, GAO Deng-ping, WANG Xiu-min, XIE Zhen

(Hongshan Standard Seismic Station, Xingtai 054001, China)

In the paper, power-spectrum time series of the extremely low frequency electromagnetic field in different item recorded by Hongshan standard seismic station is calculated and studied using diagraph analysis. The result shows that, 1) all power-spectrum densities in each frequency and observation item have sine shaped seasonal distribution characteristics, mean that, datum are dispersed in summer and dense in winter. The variation in summer is 1 to 10 times as much as in winter.2) power-spectrum densities in each frequency and observation item have no trend change for years, and its interannual variability is 1～3 orders of magnitude less than its annual variability.

ELF; electromagnetic field; power-spectrum density; time-distribution; Hongshan station

宋昭，羅娜，趙志遠，等.紅山臺ELF電磁場功率譜密度的時間分布特征[J]．華北地震科學(xué)，2017，35(1):67-72.

2016-10-13

河北省地震科技星火計劃項目：ELF電磁場功率譜數(shù)據(jù)的時空分布特征研究

宋 昭(1989—)，女，河北邢臺人，助理工程師，現(xiàn)主要從事前兆觀測.E-mail：229243906@qq.com

P315.7

A

1003-1375(2017)01-0067-06

10.3969/j.issn.1003-1375.2017.01.011